1

RRééseauxseaux de de donndonnééeses

2

Fondamentaux de communication

Les définitions de bases qu’il faut comprendre

� Communication – échange d’information

� Protocole – méthode standardisée de communication

� nœud - un participant d’un réseau

� Les méthodes de communication

– Série - transfert des données, un bit a la fois

� très populaire car peu cher

– e.g.: Ethernet, CAN, LIN

– Parallèle - transfert des données par octet

� plus cher

3

Catégories de communication

� Basée sur la façon dont les nœuds sont connectés

– Intra ECU communication

» Communication entre périphériques et microcontrôleur

– Inter ECU communication

» Communication entre deux contrôleurs (ECU) ou plus

� Basée sur le nombre de nœuds connectés

– Communication « Broadcast »

» L’information est disponible pour tous les nœuds présents sur le réseau

– Communication Point à point

» Seulement entre deux nœuds

4

parallel

serial

Intra ECU communication

5

Inter-Module Communication

6

Multiplexage de donnéesMultiplexage

– Une technique de transmission/réception de données entre différents

nœuds sur un lien / bus commun

– La plupart des bus sont multiplexés

– Le multiplexage est utilisé dans les réseaux complexes

– Le multiplexage permet de réduire le nombre de fils donc le poids

des faisceaux de câblage

– Il existe une possibilité de perte de donnée due aux collisions

– Des techniques variées de synchronisation sont utilisées pour éviter

ou résoudre les collisions

7

Une vision du Multiplexage

IPGauges

8

Le Multiplexage dans l’automobile

Two different Mux systems are shown

RedRed & & BlueBlue

9

Topologie des réseaux

� Etoile

� Anneau

� Point à Point

� Bus

� Arbre

10

Topologie de réseau: Etoile

– Nœud central

– Ajout d’un nœud possible en fonctionnement

– Plus de câble– Nœud central : passage obligé entre 2 machines

⇒ point faible

11

Topologie de réseau: Anneau

– Communication unidirectionnelle– Régénération à chaque nœud

– Extension impossible en fonctionnement– Problème si un nœud tombe en panne :

⇒ chaque nœud est un point faible

12

Topologie de réseau: Point á Point / Bus

Point à Point

Bus– Tous les nœuds sontconnectés directement via

le bus

13

Topologie de réseau: arbre

– Compromis entre étoile et bus

– Défaillance d’un nœud possible sans perturber le réseau

– Extension aisée

14

Standardisation & Classification SAE

Nous avons besoin de protocoles standards pour

– Etablir une compatibilité entre des produits de différents fabricants

– Améliorer la maintenance des logiciels

– Supporter une architecture de réseaux ouverte

La SAE définie les protocoles de communication en 3 classes:

– Classe A

– Classe B

– Classe C

15

Classe A

Classe A

– faible vitesse de transmission (< 10 Kbps).

– faible cout

– exemples UART, E&C, Sinebus, I2C, J1708 / J1587 / J1922, BEAN, CCD, ACP,

UBP TTP/A, LIN.

16

Classe B

Classe B

– utilisée pour des vitesses de transmissions

de faibles à moyennes (10Kb/s to 125

Kb/s).

– exemples Class 2, GMLAN (low speed),

PCI (J1850), SCP (J1850), ISO 11898 (CAN).

17

Classe C

Classe C

– utilisée pour des transmissions a hautes vitesses ( > 125 Kb/s to 1Mb/s).

– pour des applications temps réel

– exemples GMLAN (high), J1939 (250 Kb/s

CAN), J11898.

18

Réseaux automobiles

19

Protocole de bus sériel

� Les données séries sont simplement des

données binaire transportées comme une

suite d’information.

� Le format de cette suite d’information est

défini par le protocole.

� Chaque protocole utilise un logiciel qui

contrôle la communication.

20

Serial Data Bus Nodes

� Le bus est un moyen de transport de

l’information; le plus souvent un câble.

� Chaque module électronique peut être un

nœud indépendant d’un ou plusieurs bus.

� Chaque nœud joue un rôle dans le système

et à des fonctions spécifiques qui font que

le système fonctionne correctement.

� Souvent un nœud a besoin d’information

des autres nœud pour faire son travail

correctement .

21

Bus sériel

� Pour partager de l’information, un nœud doit transmettre des données et au moins un nœud doit les recevoir.

� Le Bus étant sériel, par définition, seul un nœud peut transmettre un bit à un moment donné.

� Les problèmes tels que la contention (deux nœuds ou plus transmettent en même temps) ou les erreurs de donnée doivent être définis et pris en compte par le protocole.

22

Le standard OSI

� Le standard ISO Open Systems Interconnection(OSI) spécifie les fonctions hiérarchiques qui forment les différentes couches des protocoles.

� Les couches sont:

1. Physique (Spécifications mécaniques et électriques)

2. Liaison (Structuration des données sous forme de trames, détection et correction des erreurs)

3. Réseau (Routage, acheminement des données)

4. Transport (Formatage des données sous forme de message)

5. Session (Structuration du dialogue)

6. Présentation (cryptage, format, compression…)

7. Application

23

Couche 1 (physique)

Spécifie le type d’encodage des données

sur le Bus.

Par exemple:

– (1) “Fixed pulse width” – Chaque bit est

encodé sur un même temps de base.

– (2) “Variable pulse width” – l’encodage est

régie par des règles qui font varier le temps de transmission d’un bit.

24

Couche 2 (Liaison)

� – LLC (Logical Link Control)

– Filtrage des messages

– Recouvrement des erreurs bit/trame

– Notification de surcharge

� – MAC (Medium Access)

– Mise en trame, gestion émission/réception

– Détection/signalisation erreur bit

– Arbitrage (gestion des accès simultanés : collisions)

– Temps de latence

– Topologie

25

Serial Data Bus

� Le Protocole spécifie une des méthodes

d’accès au bus pour permettre à un nœud

de communiquer sur le bus sériel.

Les méthodes possibles sont:

– (1) Maitre-Esclave

– (2) Token Slot/Token Ring

– (3) Carrier Sense Multiple Access (CSMA).

26

Serial Data Bus

� La méthode d’accès “Maitre-Esclaves”présente les caractéristiques suivantes:

– (1) Un nœud agit comme “Maitre” les

autres nœuds sont des esclaves.

– (2) Un nœud esclave ne peut pas

transmettre à moins que le maitre ne le

lui demande.

27

Serial Data Bus

La méthode a jeton (Token Slot ou TokenRing:

– (1) Chaque nœud a un intervalle de temps donne pour transmettre son message.

– (2) Le premier nœud utilise son jeton et le passe au nœud suivant.

– (3) Le nœud suivant l’utilise à son tours et le passe au suivant. Ce processus continue tant que le bus est actif.

28

Serial Data Bus

La méthode d’accès multiple à écoute de ligne:

Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

– (1) les nœuds écoutent le bus pour savoir si il

est déjà utilisé avant d’essayer de transmettre. Si le bus est déjà pris alors les nœuds

attendent.

– (2) Plus d’un nœud peut commencer à

transmettre en même temps d’où le besoin d’une détection de collision et arbitration.

29

LIN

� LIN

– C’est un protocole de Classe A qui a été

spécifié par un consortium (Audi , BMW , DaimlerChrysler , Motorola, Volcano

Communications Technologies, Volkswagen, Volvo)

– Il utilise la méthode d’accès Maitre-esclaves

� Protocol Device:

– Il utilise les interface UART/SCI des

microcontrôleurs.

30

LIN

Key features of LIN:

– Single Master, Multiple Slave protocol

– Multicast reception

– Baud rate of 2 - 20kbps

– Self baud synchronization without quartz

or ceramic resonator in slave nœuds

– Single wire bus (physical layer similar to

Keyword))

31

LIN

Limitations

– Maximum bus speed - 20 kbps

– Software intensive:

» Byte by byte reception.

» Framing of message.

» Validation of message.

» Synchronization.

32

33

CAN Overview

� CAN - Controller Area Network

– Serial data link protocol

– Suitable for real-time, critical, vehicle control applications

– Supports multicast without routing (all nodes receive all

messages)

– Automatic retransmission of corrupted messages

– High level of error detection (< 10^-10)

� CAN INVENTED BY BOSCH

– Early 1980’s (joined with Intel in 1985)

– For automotive use

– In use since 1991 model year by Mercedes S-Class

34

CAN Overview

� Three CAN buses were originally defined

– High-Speed Differential (Dual wire)

» Intended for real time control

» Operates at 500 kbits/sec

– Mid-Speed Fault Tolerant Differential (Dual wire)

» Intended for large data transfers

» Operates at 125 kbits/sec

» Automatically switch to single wire reception when fault detected

– Low-Speed (Single wire)

» Intended for low frequency functions or operator functions

» Operates at 33.33 kbits/sec

» With enhanced wakeup capability

35

Signal Encoding

� SIGNAL ENCODING

– Non-Return to Zero - Five (NRZ-5)

– Each bit is either ‘dominant’ or ‘recessive’

– In each bit, there is not a falling or rising edge

» lower frequency

» lower EMI

5V

0V

Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6

dominant bit-level

recessive bit-level

Non-Return-to-Zero (NRZ) Method

36

Bus Arbitration

� BUS ARBITRATION

– zero dominant

listening only

listening only

Bus Arbitration Method

Node 1

Node 2

Node 3

Bus-level

recessive

dominant

S

O

F

Identifier

R

T

R10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Control

Field

Data

Field

37

Stuff Bit

� Stuff bit is added automatically after every sequence of five equal

bits

� Error and Overload Frames are not stuffed

� CRC is calculated on the un-stuffed bit stream

– Transmitted CRC itself is stuffed

S

S

S

Bit Stuffing

Unstuffed bit-sequence

Stuffed bit-sequence

38

Standard Frame

� Start of Frame (SOF) marks beginning of frame

� 11-bit Identifier, or arbitration field

– CAN standard version 2.0 “A”

– Most significant seven bits must not be all recessive (1s)

� Remote Transmit Request (RTR)

– A dominant bit for Data Frames

� Data Length Code (DLC)

– Encodes the number of data bytes to follow, msb to the left

Standard Data Frame

111 1 2 4 0 - 64 15 1 1 1 7 3

BusIdle

BusIdle

Start of Frame

11-bit Identifier

RTR

not used

Data-length

Data

CRC ACK

CRC Delimiter ACK Delimiter

End ofFrame

Intermission

39

Extended Frame

� 29-bit Identifier, or arbitration field

– CAN standard version 2.0 “B”

� Substitute Remote Request (SRR) bit

– Placeholder for RTR bit position in Standard Data Frames

– Sent recessive so will lose arbitration to a Standard Data Frame

� Identifier Extension (IDE) bit

– Recessive bit to indicate an Extended Data Frame

– Sent recessive so will lose arbitration to a Standard Data Frame

Extended Data Frame

111 1 4 0 - 64 15 1 1 7 3

Bus

Idle

Bus

Idle

Start of Frame

Identifier

SRR Data-length

Data

CRC ACK

CRC Delimiter ACK Delimiter

End of

Frame

1 18 1 1 1 1

IDE Identifier

RTR

R1,R0

Intermission

40

Acknowledgment Scheme

� Positive Acknowledgement

– Receivers send a dominant bit in the ACK slot

– At least one node received the data correctly

– No error frames

– Message data is used

� Negative Acknowledgement

– Receivers send error frame

– The message was corrupted

– Message is retransmitted by the transmitter

41

FlexRay

42

FlexRay

– Developed by Daimler-Chrysler, BMW, Motorola, Philips starting in early 2000

» DC focused on being first to market with steer-by-wire, product architecture already mostly determined

» DC-requested changes to TTP not immediately adopted by TTTech

» TTP = Time Triggered Protocol

» BMW heavily invested in protocol R&D, developed alternative protocol Byteflight, which was not adopted by the market

» Bosch has collaborated with GM

– Flexray combines features of TTP, CAN, and BMW Byteflight

– DC and BMW are currently technology leaders in X-by-Wire

» Seek competitive advantage

» Have significant experience internally

43

Flexray

Solution with restrictions(reuse of available Physical Layer):

•Optional redundant communication channels

•Support of “wake-up” via bus, depends on the Physical Layer

•low gross data rate (similar to CAN)

•Support of power management, depends on the Physical Layer

•Bus Guardian, depends on the Physical Layer (Bus Guardian defined in separate specification)

Node

Redundancy

passivebus

communicationcontroller

(and host)

Bus Driver

Topology of a Distributed FlexRay System - Passive Bus Example:

44

FlexRay

� Timeline chart of Communications Cycles:

45

FlexRay - Transmit Frame Encoding

� The Transmit frame breaks down each of the two segments into

somewhat complicated layers…so to simplify:

� The Static Segment contains “n” number of slots appropriately

named: “Static Slots”. “n” typically is the number of participating nodes on the bus

� The Dynamic Segment contains “n+x” number of slots which are

called “Minislots” (“x” just indicates that Minislots come after the

Static Slots)

� Each slot (static or dynamic) consists of a “frame” with fixed format

structure

� Every “frame” is made up of a “Header” , a “Payload” and a “Trailer”

46

Overview of Flexray Frame Structure

CRC CRC

24 bit

DataFrame ID

7 bit

0 ... 246 Bytes

Cycle CRC

FlexRay Frame 5 + (0 ... 246) + 3 Bytes

Length

12 bit 6 bit

Syn

c B

it

11 bit 16 bit

Message IDHeaderCRC

Nu

ll F

ram

e In

dic

ati

on

Header Segment Payload Segment Trailer Segment

Data Data

Header CRCCovered Area

Netw

ork

Man

ag

em

en

t

Reserv

ed

1111

Data

NM

FlexRay Frame 5 + (0 ... 254) + 3 bytes

47

Intro to Sleep and Operating Modes

� A Flexray bus Node begins in the Sleep state and transitions to the

Standby state

� In Sleep mode, there must be power on the receiver side of each

node in order to receive a “wakeup pattern”

� In Standby, there is no processing of Frame and Symbols from the

bus

� The node moves to Start Up state where Frames and Symbols begin

but there is no interaction with the CHI

� In the GO state, there is full operation of the node on the bus and

interaction with the application via the CHI

48

Flexray Mode Transitions

� Again, the Frame and Signal processing element has 3 modes

� The first is STANDBY

� The second is STARTUP

� And the third is GO

49

Flexray Mode Transitions (illustrated)

� EXAMPLE OF WAKEUP FROM SLEEP: